KR101397767B1 - Single stage forward-flyback converter and power suppying apparatus for light emitting diode - Google Patents

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KR101397767B1
KR101397767B1 KR1020120157057A KR20120157057A KR101397767B1 KR 101397767 B1 KR101397767 B1 KR 101397767B1 KR 1020120157057 A KR1020120157057 A KR 1020120157057A KR 20120157057 A KR20120157057 A KR 20120157057A KR 101397767 B1 KR101397767 B1 KR 101397767B1
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한상규
유병우
최흥균
이근욱
박홍선
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삼성전기주식회사
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Abstract

The present invention relates to: a single-stage forward-flyback converter capable of enhancing power factor and performing forward and flyback power conversion in a single stage, and performing the forward and flyback power conversion regardless of a level of input power; and a power supply apparatus for a light emitting diode. The single-stage forward-flyback converter of the present invention comprises: a power converting unit switching input power, and performing power conversion using a forward scheme in case of switching on and using a flyback scheme in case of switching off; a path providing unit clamping the power by the forward scheme of the power converting unit and the power by the flyback scheme thereof to provide a power transfer path; and a control unit controlling the power conversion of the power converting unit according to a voltage level of the input power.

Description

싱글 스테이지 포워드-플라이백 컨버터 및 발광 다이오드 전원 공급 장치{SINGLE STAGE FORWARD-FLYBACK CONVERTER AND POWER SUPPYING APPARATUS FOR LIGHT EMITTING DIODE}FIELD OF THE INVENTION [0001] The present invention relates to a single stage forward-flyback converter and a light emitting diode power supply,

본 발명은 싱글 스테이지로 구성된 포워드-플라이백 컨버터 및 발광 다이오드 전원 공급 장치에 관한 것이다.
The present invention relates to a single-stage forward-flyback converter and a light-emitting diode power supply.

일반적으로, 가정 및 사무실 등의 전자 기기를 구동하기 위해서는 상용 전원을 전자 기기에 적합한 구동 전원으로 변환하여 공급하는 전원 공급 장치가 전자 기기 내부 또는 외부에 채용된다.
2. Description of the Related Art Generally, in order to drive an electronic device such as a home or an office, a power supply device that converts a commercial power source into a drive power suitable for an electronic device and supplies the power source is employed inside or outside the electronic device.

이러한 전원 공급 장치는 발광 다이오드를 구동하기 위해서도 채용될 수 있다.
Such a power supply may also be employed to drive the light emitting diode.

최근 들어, 발광 다이오드(Light Emitting Diode; LED)에 관한 관심과 수요가 증가하고 있다.
Recently, interest and demand for light emitting diodes (LEDs) are increasing.

이러한 발광 다이오드를 사용한 기기는 컴팩트한 제작이 가능해 기존 전자 제품으로는 설치가 어려운 장소에도 사용할 수 있고, 조명으로 사용되는 경우 다양한 색상 구현 및 조도 조절이 용이하여 영화 감상, 독서, 회의 등 상황에 적합한 시스템 조명으로써 사용이 가능하다.The device using such a light emitting diode can be manufactured in a compact manner, so that it can be used in a place where it is difficult to install as an existing electronic product. When it is used as a light source, Can be used as system illumination.

또한, 전력소모가 백열등의 1/8 수준으로 수명은 5~10배인 5~10만시간이고, 무수은 광원으로 친환경적이며 다양한 디자인이 가능하다.
In addition, the power consumption is 1/8 of incandescent lamp, and the lifetime is 5 ~ 10 times of 5 ~ 100,000 hours, and it is environment friendly and various designs are possible with mercury-free light source.

이러한 특징으로 인해, 한국을 비롯하여 미국, 일본, 호주 등 많은 국가에서 발광 다이오드 조명 사업을 국책 사업으로 추진하고 있다.
Due to these characteristics, LED lighting business is being promoted as a national project in many countries including Korea, USA, Japan and Australia.

상술한 바와 같이, 그 사용이 증가 추세에 있는 발광 다이오드는 발광 다이오드를 구동시키기 위한 구동 장치를 필요로 하는데, 하기의 선행기술문헌에 기재된 바와 같이, 역률 보정을 수행하는 역률 보정 회로단과 출력 부하의 정전류 제어를 위한 직류/직류 컨버터 회로단의 2 스테이지 구성은 전력 변환 효율이 저하되며, 다수의 발광 다이오드 어레이를 구동하는 경우 필요한 발광 다이오드 구동 전압이 상승하면 고전압 소자 사용에 의한 제조 비용이 상승하는 문제점이 있다.
As described above, the light emitting diodes, whose use is increasingly in need, require a driving apparatus for driving the light emitting diodes. As described in the following prior art documents, the power factor correcting circuit for performing the power factor correction, The two stage configuration of the DC / DC converter circuit stage for constant current control has a problem that the power conversion efficiency is lowered and the fabrication cost due to the use of the high voltage device rises when the LED driving voltage required for driving a plurality of LED array arises, .

국내공개특허공보 제2012-0031215호Korean Patent Publication No. 2012-0031215

본 발명의 과제는 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 단일 전력단에서 역률 개선, 포워드 및 플라이 백 전원 변환 동작을 수행할 수 있으며, 입력 전원 레벨에 무관하게 포워드 및 플라이 백 전원 변환 동작을 수행할 수 있는 싱글 스테이지 포워드 플라이 백 컨버터 및 발광 다이오드 전원 공급 장치를 제안한다.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a power factor correcting, forward and flyback power conversion operation in a single power stage, Stage forward flyback converter and a light-emitting diode power supply capable of performing the above-described operation.

상술한 본 발명의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 하나의 기술적인 측면으로는 입력 전원을 스위칭하여, 스위칭 온 시에 포워드(Forward) 방식으로 전원 변환 동작하고, 스위칭 오프시에 플라이 백(Fly Back) 방식으로 전원 변환 동작하는 전원 변환부;In order to solve the problems of the present invention, one technical aspect of the present invention is to switch the input power source, perform a power conversion operation in a forward mode at the time of switching on, A power conversion unit for performing a power conversion operation in a back mode;

상기 전원 변환부의 포워드 방식에 의한 전원과 상기 플라이 백 방식에 의한 전원을 클램프하여 전원 전달 경로를 제공하는 경로 제공부; 및A path providing unit for providing a power supply path by clamping a power source by a forward method of the power conversion unit and a power source by the flyback method; And

상기 입력 전원의 전압 레벨에 따라 상기 전원 변환부의 전원 변환 동작을 제어하는 제어부And a control unit for controlling the power conversion operation of the power conversion unit according to a voltage level of the input power source,

를 포함하는 싱글 스테이지 포워드-플라이 백 컨버터를 제안하는 것이다.
Stage forward-flyback converter.

본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, According to one technical aspect of the present invention,

상기 제어부는 상기 입력 전원의 전압 레벨을 검출하여 검출된 전압이 영전압일때 상기 스위칭 온 동작을 제어하여 역률을 개선시킬 수 있다.
The controller may detect a voltage level of the input power source and improve the power factor by controlling the switching-on operation when the detected voltage is zero voltage.

본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, According to one technical aspect of the present invention,

상기 전원 변환부는The power conversion unit

상기 입력 전원을 스위칭하는 전원 스위치; 및A power switch for switching the input power source; And

상기 전원 스위치에 의해 스위칭된 전원을 전달받는 일차 권선 및 상기 일차 권선과 전자기 결합되어 전원을 유기받는 이차 권선을 갖는 단일 트랜스포머를 포함할 수 있다.
And a single transformer having a primary winding receiving a power source switched by the power switch and a secondary winding electromagnetically coupled with the primary winding to supply a power source.

본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, According to one technical aspect of the present invention,

상기 경로 제공부는The path providing unit

상기 전원 변환부의 포워드 방식에 의한 전원 레벨과 상기 플라이 백 방식에 의한 전원 레벨 간의 평형을 유지하는 밸런스 캐패시터;A balance capacitor for maintaining an equilibrium between a power supply level by the forward method of the power conversion unit and a power supply level by the flyback method;

상기 전원 변환부의 포워드 방식에 의한 전원과 상기 플라이 백 방식에 의한 전원의 전달 경로를 각각 제공하는 다이오드 그룹; 및A diode group for providing a forward power supply path of the power conversion unit and a power supply path of the power supply by the flyback method; And

제1 및 제2 출력 인덕터 및 출력 캐패시터를 구비하여 상기 전달 경로를 통해 전달된 전원을 안정화시키는 안정화부를 포함할 수 있다.
And a stabilization unit having first and second output inductors and an output capacitor to stabilize the power delivered through the transmission path.

본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, According to one technical aspect of the present invention,

상기 전원 스위치는 턴 온 듀티를 일정하게 유지하여 상기 입력 전원의 역률을 개선시킬 수 있다.
The power switch can maintain the turn-on duty constant to improve the power factor of the input power.

본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, According to one technical aspect of the present invention,

상기 입력 전원은 정류되어 상기 전원 변환부에 전달될 수 있다.
The input power source may be rectified and transmitted to the power conversion unit.

본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, According to one technical aspect of the present invention,

상기 다이오드 그룹은The diode group

상기 안정화부의 제2 출력 인덕터의 일단에 연결된 애노드와, 상기 안정화부의 제1 출력 인덕터의 일단에 연결된 캐소드를 가지며 전원 전달 경로를 제공하는 제1 다이오드; 및A first diode having an anode connected to one end of the second output inductor of the stabilizing part and a cathode connected to one end of the first output inductor of the stabilizing part and providing a power transmission path; And

상기 안정화부의 제2 출력 인덕터의 타단에 연결된 애노드와, 상기 밸런스 캐패시터의 일단 및 상기 제1 출력 인덕터의 타단과 연결된 캐소드를 가지며, 전원 전달 경로를 제공하는 제2 다이오드를 포함할 수 있다.
An anode connected to the other end of the second output inductor of the stabilizing unit, and a second diode having one end of the balance capacitor and a cathode connected to the other end of the first output inductor, and providing a power supply path.

본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, According to one technical aspect of the present invention,

상기 전원 변환부의 출력은 적어도 하나의 발광 다이오드에 공급될 수 있다.
The output of the power conversion unit may be supplied to at least one light emitting diode.

상술한 본 발명의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 다른 하나의 기술적인 측면으로는 입력 전원을 스위칭하여, 스위칭 온 시에 포워드(Forward) 방식으로 전원 변환 동작하고, 스위칭 오프시에 플라이 백(Fly Back) 방식으로 전원 변환 동작하는 전원 변환부;According to another technical aspect of the present invention, there is provided a method of switching an input power source, performing a power conversion operation in a forward mode at a switching-on time, performing a power conversion operation in a forward- A power conversion unit for performing a power conversion operation in a fly back mode;

상기 전원 변환부의 포워드 방식에 의한 전원과 상기 플라이 백 방식에 의한 전원을 클램프하여 전원 전달 경로를 제공하여 적어도 하나의 발광 다이오드에 전원을 공급하는 경로 제공부; 및A path providing unit for supplying power to at least one light emitting diode by providing a power supply path by clamping a power source according to the forward mode and a power source according to the flyback mode of the power source conversion unit; And

상기 입력 전원의 전압 레벨에 따라 상기 전원 변환부의 전원 변환 동작을 제어하고, 상기 입력 전원의 전압 레벨을 검출하여 검출된 전압이 영전압일때 상기 스위칭 온 동작을 제어하여 역률을 개선시키는 제어부A control unit controlling the power conversion operation of the power conversion unit according to a voltage level of the input power source and detecting a voltage level of the input power source and controlling the switching on operation when the detected voltage is zero voltage,

를 포함하는 발광 다이오드 전원 공급 장치를 제안하는 것이다.
And a light emitting diode (LED) power supply.

본 발명에 따르면, 단일 전력단에서 역률 개선, 포워드 및 플라이 백 전원 변환 동작을 수행할 수 있으며, 입력 전원 레벨에 무관하게 포워드 및 플라이 백 전원 변환 동작을 수행할 수 있어 전력단 설계시 제조 비용 및 회로 면적이 저감되는 효과가 있다.
According to the present invention, power factor improvement, forward and flyback power conversion operations can be performed at a single power stage, and forward and flyback power conversion operations can be performed irrespective of the input power level. There is an effect that the circuit area is reduced.

도 1은 본 발명의 싱글 스테이지 포워드-플라이백 컨버터 또는 발광 다이오드 전원 공급 장치의 개략적인 회로도.
도 2 및 도 3은 본 발명의 싱글 스테이지 포워드-플라이백 컨버터의 스위칭 온 및 오프시의 전류 흐름을 나타내는 개략적인 회로도
도 4는 본 발명의 싱글 스테이지 포워드-플라이백 컨버터의 스위칭 온 및 오프시의 주요 부분의 신호 파형을 나타내는 그래프.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 싱글 스테이지 포워드-플라이백 컨버터의 전기적 특성을 나타내는 그래프.
1 is a schematic circuit diagram of a single-stage forward-flyback converter or light-emitting diode power supply of the present invention;
Figures 2 and 3 are schematic circuit diagrams illustrating the current flow during switching on and off of the single stage forward-flyback converter of the present invention
FIG. 4 is a graph showing signal waveforms of main portions at the time of switching on and off of the single-stage forward-flyback converter of the present invention. FIG.
5A and 5B are graphs showing the electrical characteristics of the single stage forward-flyback converter of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, in order that those skilled in the art can easily carry out the present invention.

다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다라고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.

또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 또는 유사한 부호를 사용한다.
The same or similar reference numerals are used throughout the drawings for portions having similar functions and functions.

덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때는 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다.
In addition, in the entire specification, when a part is referred to as being 'connected' with another part, it is not only a case where it is directly connected, but also a case where it is indirectly connected with another element in between do.

또한, 어떤 구성요소를 포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
Also, to include an element means to include other elements, not to exclude other elements unless specifically stated otherwise.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 1을 참조하면, 본 발명의 싱글 스테이지 포워드-플라이 백 컨버터(100)는 전원 변환부(110), 경로 제공부(120) 및 제어부(130)를 포함할 수 있다.
Referring to FIG. 1, the single stage forward-flyback converter 100 of the present invention may include a power converter 110, a path controller 120, and a controller 130.

전원 변환부(110)는 일차 권선(p) 및 이차 권선(s)을 갖는 트랜스포머(T)를 구비할 수 있으며, 일차 권선(p)에 입력된 전원을 스위칭하는 전원 스위치(M)를 구비할 수 있다. 일차 권선(p)과 이차 권선(s)는 사전에 설정된 권선비를 갖도록 전자기 결합되어 있을 수 있으며, 일차 권선(p)에 입력된 전원은 전원 스위치(M)의 스위칭에 따라 이차 권선(s)에 전원을 유기할 수 있으며, 이차 권선(s)에 유기된 전원의 전압 레벨은 상기 권선비에 의해 결정될 수 있다.The power conversion unit 110 may include a transformer T having a primary winding p and a secondary winding s and may include a power switch M for switching a power source input to the primary winding p . The primary winding p and the secondary winding s may be electromagnetically coupled so as to have a preset winding ratio and the power supplied to the primary winding p is supplied to the secondary winding s in accordance with the switching of the power switch M. [ The voltage of the power source induced in the secondary winding s may be determined by the winding ratio.

더하여, 전원 변환부(110)는 포워드(forward) 방식 및 플라이 백(fly back) 방식으로 전원 변환 동작을 수행할 수 있는데, 제어부(130)는 입력 전원에 따라 전원 변환부(110)의 전원 스위치(M)의 전원 스위칭을 제어할 수 있다.
In addition, the power conversion unit 110 may perform a power conversion operation in a forward mode and a fly back mode. The controller 130 controls the power switch 110 of the power conversion unit 110, (M) can be controlled.

전원 변환부(110)의 출력 전원은 부하(Ro)에 전달될 수 있으며, 특히 적어도 하나의 발광 다이오드(LED)에 전달되어 발광 다이오드(LED)가 발광 동작을 수행할 수 있도록 할 수 있다. 발광 다이오드(LED)는 복수개가 직렬 연결되어 하나의 발광 다이오드 어레이(array)를 구성할 수 있으며, 도시되지 않았지만 복수 개의 발광 다이오드 어레이가 병렬로 연결되어 상기 출력 전원을 공급받아 발광 동작을 수행할 수도 있다.
The output power of the power conversion unit 110 may be transmitted to the load Ro and may be transmitted to at least one light emitting diode (LED) to enable the light emitting diode (LED) to perform the light emitting operation. A plurality of light emitting diodes (LEDs) may be connected in series to form one light emitting diode array. Although not shown, a plurality of light emitting diode arrays may be connected in parallel to receive the output power, have.

경로 제공부(120)는 밸런스 캐패시터(Cb), 다이오드 그룹(D1,D2) 및 안정화부(Lo1,Lo2,Co)를 포함할 수 있다.The path providing unit 120 may include a balance capacitor Cb, diode groups D1 and D2, and stabilizing units Lo1, Lo2 and Co.

밸런스 캐패시터(Cb)는 전원 변환부(110)의 포워드 방식에 의한 전원 레벨과 상기 플라이 백 방식에 의한 전원 레벨 간의 평형을 유지할 수 있으며, 제1 출력 인덕터(Lo1)와 이차 권선(s) 간에 전기적으로 연결될 수 있다.
The balance capacitor Cb can maintain the balance between the power supply level of the forward converter mode and the power supply level of the flyback mode of the power converter 110. The balance capacitor Cb is electrically connected between the first output inductor Lo1 and the secondary winding s .

다이오드 그룹(D1,D2)은 전원 변환부(110)의 포워드 방식에 의한 전원과 플라이 백 방식에 의한 전원을 클램프하여 전원 전달 경로를 제공할 수 있으며, 제2 출력 인덕터(Lo2)의 일단에 연결된 애노드와, 제1 출력 인덕터(Lo1)의 일단에 연결된 캐소드를 가지며 전원 전달 경로를 제공하는 제1 다이오드(D1) 및 제2 출력 인덕터(Lo2)의 타단에 연결된 애노드와, 밸런스 캐패시터(Cb)의 일단 및 제1 출력 인덕터(Lo1)의 타단과 연결된 캐소드를 가지며, 전원 전달 경로를 제공하는 제2 다이오드(D2)를 포함할 수 있다.
The diode groups D1 and D2 are connected to one end of the second output inductor Lo2 by clamping the power source according to the forward method and the flyback method of the power source conversion unit 110, A first diode D1 having a cathode connected to one end of the first output inductor Lo1 and providing a power supply path, an anode connected to the other end of the second output inductor Lo2, and an anode connected to the other end of the balance capacitor Cb And a second diode D2 having a cathode connected to the other end of the first output inductor Lo1 and providing a power supply path.

안정화부(Lo1,Lo2,Co)는 제1 및 제2 출력 인덕터(Lo1,Lo2)와 출력 캐패시터(Co)를 포함할 수 있으며, 제1 출력 인덕터(Lo1)는 제1 및 제2 다이오드(D1,D2)의 캐소드 사이에 연결될 수 있으며, 제2 출력 인덕터(Lo2)는 제1 및 제2 다이오드(D1,D2)의 애노드 사이에 연결될 수 있고, 출력 캐패시터(Co)는 제1 출력 인덕터(Lo1)의 일단과 제2 출력 인덕터(Lo2)의 타단 사이에 연결될 수 있으며, 제1 및 제2 출력 인덕터(Lo1,Lo2)와 출력 캐패시터(Co)는 LC 필터 역활을 하여 전원 전달 경로를 통해 전달된 전원을 안정화시킬 수 있다.
The stabilization units Lo1, Lo2 and Co may include first and second output inductors Lo1 and Lo2 and an output capacitor Co and the first output inductor Lo1 may include first and second diodes D1, D2 and a second output inductor Lo2 may be connected between the anodes of the first and second diodes D1 and D2 and the output capacitor Co may be coupled between the cathodes of the first output inductor Lo1 The first and second output inductors Lo1 and Lo2 and the output capacitor Co act as an LC filter and are connected to each other through a power supply path The power supply can be stabilized.

전원 변환부(110)는 입력 전원의 전압 레벨에 무관하게 상시 포워드 전원 변환 동작과 플라이 백 전원 변환 동작을 수행할 수 있다. The power conversion unit 110 can perform the forward power conversion operation and the flyback power conversion operation irrespective of the voltage level of the input power source.

더하여, 전원 변환부(110)는 포워드 전원 변환 동작과 플라이 백 전원 변환 동작시 전원 스위치(M)를 공유할 수 있는데, 전원 스위치(M)는 제어부(130)의 제어에 따라 턴 온 듀티를 일정하게 유지하여 입력 전원의 역률을 개선할 수 있으며, 또한 다.In addition, the power conversion unit 110 may share the power switch M during the forward power conversion operation and the flyback power conversion operation. The power switch M may control the turn- So that the power factor of the input power can be improved.

즉, 전원 변환부(110)는 하나의 전원 변환 회로내에서, 역률 개선 및 포워드-플라이 백 전원 변환 동작을 수행할 수 있다.
That is, the power conversion unit 110 can perform the power factor correction and the forward-flyback power conversion operation in one power conversion circuit.

이하, 전원 변환부(110)의 전원 변환 동작에 관하여 상세히 설명하도록 한다.
Hereinafter, the power conversion operation of the power conversion unit 110 will be described in detail.

도 2 및 도 3은 본 발명의 싱글 스테이지 포워드-플라이백 컨버터의 스위칭 온 및 오프시의 전류 흐름을 나타내는 개략적인 회로도이고, 도 4는 본 발명의 싱글 스테이지 포워드-플라이백 컨버터의 스위칭 온 및 오프시의 주요 부분의 신호 파형을 나타내는 그래프이다.FIGS. 2 and 3 are schematic circuit diagrams showing current flows at the time of switching on and off of the single-stage forward-flyback converter of the present invention, and FIG. 4 is a schematic circuit diagram showing the switching- Fig. 7 is a graph showing a signal waveform of a main part of a signal. Fig.

먼저, 도 2 및 도 4를 참조하면, 모드1(to-t1)에서 본 발명의 싱글 스테이지 포워드-플라이백 컨버터는 스위칭 온시에 포워드 동작하여 도시된 화살표 및 굵은 실선과 같은 전류 흐름을 형성할 수 있다.First, referring to FIGS. 2 and 4, in the mode 1 (to-t1), the single stage forward-flyback converter of the present invention can perform a forward operation at the time of switching on to form a current flow such as the arrow shown and the thick solid line have.

전원 스위치(M)가 켜지면 도시된 바와 같은 화살표 방향의 전류 경로가 형성되며, 포워드 방식으로 이차측에 전력 전달을 수행한다. 이때 일차측 자화 인덕터(Lm)에는 전원 스위치가 턴-온 되는 시간만큼 자기 에너지가 저장된다. 이차측에위치한 제1 및 제2 다이오드(D1,D2는 턴 오프하고, 밸런스 캐패시터(Cb)는 포워드 방식의 전원 스위치(M)의 턴-온 구간에 전달되는 전력과 전원 스위치(M)의 턴-오프 구간에서 플라이백 방식으로 전달되는 전력의 밸런스를 맞춤으로써, 포워드 방식이 동작할 수 있는 입력 전원의 전압 레벨을 확장시킬 수 있어서, 입력 전원의 전압 레벨에 무관하게 포워드 동작을 수행하여 고효율 전력 전송이 가능하게 된다. When the power switch M is turned on, a current path in the direction of an arrow as shown in the figure is formed, and the power is transferred to the secondary side in a forward manner. At this time, magnetic energy is stored in the primary magnetization inductor Lm for a time period during which the power switch is turned on. The first and second diodes D1 and D2 located on the secondary side are turned off and the balance capacitor Cb is turned on when the power supplied to the power switch M in the turn- - By balancing the power delivered in the flyback mode in the off period, the voltage level of the input power source capable of operating the forward mode can be extended, so that the forward operation is performed irrespective of the voltage level of the input power source, Transmission becomes possible.

밸런스 캐패시터(Cb)에 걸리는 전압을 Vcb라고 하면, 제1 출력 인덕터(Lo1)에 걸리는 전압 스트레스는 (Vin/n)+Vcb-Vo이다. 여기서, Vin은 입력 전원의 전압 레벨, n은 트랜스포머(T)의 권선비일 수 있다.
And the voltage across the balanced capacitor Cb is Vcb, the voltage stress applied to the first output inductor Lo1 is (Vin / n) + Vcb-Vo. Here, Vin may be the voltage level of the input power source, and n may be the winding ratio of the transformer (T).

다음으로, 전원 스위치(Q)가 턴-오프되면, 도 3에 도시된 바와 같이 모드2(t1-t2)에서 본 발명의 싱글 스테이지 포워드-플라이백 컨버터는 스위칭 오프시에 플라이 백 전원 변환 동작하여 화살표 및 굵은 실선 방향으로 전력을 전달한다. 도 3을 참조하면, 자화 인덕터(Lm)에 저장된 에너지는 플라이 백 방식에 의해 형성된 전원 전달 경로를 통해 전력을 전달할 수 있으며, 이차측의 제1 및 제2 다이오드(D1,D2)는 도통하여 도시된 바와 같은 전원 전달 경로를 형성할 수 있다.
Next, when the power switch Q is turned off, the single stage forward-flyback converter of the present invention in mode 2 (t1-t2) as shown in FIG. 3 performs a flyback power conversion operation at the time of switching off The power is transmitted in the direction of the arrow and the thick solid line. Referring to FIG. 3, the energy stored in the magnetizing inductor Lm can transfer electric power through the power transmission path formed by the flyback method, and the first and second diodes D1 and D2 on the secondary side are electrically connected to each other Thereby forming a power transmission path as described above.

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 싱글 스테이지 포워드-플라이백 컨버터의 전기적 특성을 나타내는 그래프이다.5A and 5B are graphs showing the electrical characteristics of the single stage forward-flyback converter of the present invention.

도 5a 및 도 5b를 참조하면, 본 발명의 싱글 스테이지 포워드-플라이백 컨버터는 입력 전원의 전압 레벨이 90V(도 5a), 264V(도 5b)일때일 때 트랜스포머 자화전류(ILm), 트랜스포머(T)의 1차측 전류(Ipri), 제1 출력 인덕터 전류(ILo1), 제1 다이오드(D1)의 전류(ID1)을 보이고 있으며 1차측 전류(Ipri) 파형에서 보인 바와 같이 입력전류가 입력전압의 위상을 추종하고 있어 고역률 획득이 가능함을 알 수 있다. 한편 제1 출력 인덕터 전류(ILo1)는 2차측의 밸런스 캐패시터(Cb)의 전하평형 원리에 의해 항상 연속적으로 흐르는 것을 확인할 수 있으며 이를 통하여 입력전압의 크기에 관계없이 포워드 컨버터 동작이 가능함을 확인할 수 있다.
5A and 5B, the single-stage forward-flyback converter of the present invention includes a transformer magnetizing current ILm, a transformer T (FIG. 5B) when the voltage level of the input power source is 90V (Ipri), the first output inductor current ILo1 and the first diode D1 current ID1 and the input current shows the phase of the input voltage as shown in the primary current Ipri waveform It is possible to obtain high power factor. On the other hand, it can be seen that the first output inductor current ILo1 always flows continuously by the charge balance principle of the secondary side balance capacitor Cb, and it is confirmed that the forward converter operation is possible regardless of the magnitude of the input voltage .

본 발명에서 제안된 싱글 스테이지 포워드 플라이백 컨버터는 트랜스포머의 자화 인덕터 전류의 오프셋을 대폭 줄일 수 있어 코어손실을 최소화할 수 있으며, 포워드 동작 시 트랜스포머의 자화 인덕터 전류를 출력측으로 회생시킴으로써 모든 스위칭 구간에서 전력전달이 가능하므로 효율 및 역률 개선에 매우 유리한 장점을 갖는다.
The single stage forward flyback converter proposed in the present invention can greatly reduce the offset of the magnetizing inductor current of the transformer to minimize the core loss and regenerate the magnetizing inductor current of the transformer to the output side during the forward operation, So that it is very advantageous in improving efficiency and power factor.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 단일 전력단에서 역률 개선, 포워드 및 플라이 백 전원 변환 동작을 수행할 수 있으며, 입력 전원 레벨에 무관하게 포워드 및 플라이 백 전원 변환 동작을 수행할 수 있어 전력단 설계시 제조 비용 및 회로 면적이 저감될 수 있다.
As described above, according to the present invention, power factor improvement, forward and flyback power conversion operations can be performed in a single power stage, and forward and flyback power conversion operations can be performed irrespective of an input power level, The manufacturing cost and the circuit area can be reduced at the time of designing.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 후술하는 특허청구범위에 의해 한정되며, 본 발명의 구성은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 그 구성을 다양하게 변경 및 개조할 수 있다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 쉽게 알 수 있다.
It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory and are not intended to limit the invention to the particular forms disclosed. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.

100: 싱글 스테이지 포워드-플라이 백 컨버터, 발광 다이오드 구동 장치
110: 전원 변환부
120: 경로 제공부
130: 제어부
100: Single stage forward-flyback converter, LED driver
110: Power conversion section
120:
130:

Claims (14)

입력 전원을 스위칭하여, 스위칭 온 시에 포워드(Forward) 방식으로 전원 변환 동작하고, 스위칭 오프시에 플라이 백(Fly Back) 방식으로 전원 변환 동작하는 전원 변환부;
상기 전원 변환부의 상기 포워드 방식에 의한 전원과 상기 플라이 백 방식에 의한 전원을 클램프하여 전원 전달 경로를 제공하고, 상기 전원 변환부의 상기 포워드 방식에 의한 전원 레벨과 상기 플라이 백 방식에 의한 전원 레벨 간의 평형을 유지하는 경로 제공부; 및
상기 입력 전원의 전압 레벨에 따라 상기 전원 변환부의 전원 변환 동작을 제어하는 제어부
를 포함하는 싱글 스테이지 포워드-플라이 백 컨버터.
A power conversion unit for switching an input power source to perform a power conversion operation in a forward mode at the time of switching on and a power conversion operation in a flyback mode at the time of switching off;
A power supply path by clamping the power source by the forward mode and the power by the flyback mode of the power source conversion unit; Maintaining a path; And
And a control unit for controlling the power conversion operation of the power conversion unit according to a voltage level of the input power source,
Stage forward-flyback converter.
제1항에 있어서,
상기 제어부는 상기 입력 전원의 전압 레벨을 검출하여 검출된 전압이 영전압일때 상기 스위칭 온 동작을 제어하여 역률을 개선시키는 싱글 스테이지 포워드-플라이 백 컨버터.
The method according to claim 1,
Wherein the controller detects the voltage level of the input power source and controls the switching-on operation when the detected voltage is zero voltage to improve the power factor.
제1항에 있어서,
상기 전원 변환부는
상기 입력 전원을 스위칭하는 전원 스위치; 및
상기 전원 스위치에 의해 스위칭된 전원을 전달받는 일차 권선 및 상기 일차 권선과 전자기 결합되어 전원을 유기받는 이차 권선을 갖는 단일 트랜스포머
를 포함하는 싱글 스테이지 포워드-플라이 백 컨버터.
The method according to claim 1,
The power conversion unit
A power switch for switching the input power source; And
A first transformer having a primary winding receiving a power source switched by the power switch and a secondary winding electromagnetically coupled with the primary winding to supply a power source,
Stage forward-flyback converter.
제1항에 있어서,
상기 경로 제공부는
상기 전원 변환부의 포워드 방식에 의한 전원 레벨과 상기 플라이 백 방식에 의한 전원 레벨 간의 평형을 유지하는 밸런스 캐패시터;
상기 전원 변환부의 포워드 방식에 의한 전원과 상기 플라이 백 방식에 의한 전원의 전달 경로를 각각 제공하는 다이오드 그룹; 및
제1 및 제2 출력 인덕터 및 출력 캐패시터를 구비하여 상기 전달 경로를 통해 전달된 전원을 안정화시키는 안정화부
를 포함하는 싱글 스테이지 포워드-플라이 백 컨버터.
The method according to claim 1,
The path providing unit
A balance capacitor for maintaining an equilibrium between a power supply level by the forward method of the power conversion unit and a power supply level by the flyback method;
A diode group for providing a forward power supply path of the power conversion unit and a power supply path of the power supply by the flyback method; And
A stabilization unit having first and second output inductors and an output capacitor for stabilizing the power delivered through the transmission path,
Stage forward-flyback converter.
제3항에 있어서,
상기 전원 스위치는 턴 온 듀티를 일정하게 유지하여 상기 입력 전원의 역률을 개선시키는 싱글 스테이지 포워드-플라이 백 컨버터.
The method of claim 3,
Wherein the power switch maintains a constant turn-on duty to improve the power factor of the input power source.
제1항에 있어서,
상기 입력 전원은 정류되어 상기 전원 변환부에 전달되는 싱글 스테이지 포워드-플라이 백 컨버터.
The method according to claim 1,
Wherein the input power is rectified and delivered to the power conversion unit.
제4항에 있어서,
상기 다이오드 그룹은
상기 안정화부의 제2 출력 인덕터의 일단에 연결된 애노드와, 상기 안정화부의 제1 출력 인덕터의 일단에 연결된 캐소드를 가지며 전원 전달 경로를 제공하는 제1 다이오드; 및
상기 안정화부의 제2 출력 인덕터의 타단에 연결된 애노드와, 상기 밸런스 캐패시터의 일단 및 상기 제1 출력 인덕터의 타단과 연결된 캐소드를 가지며, 전원 전달 경로를 제공하는 제2 다이오드
를 포함하는 싱글 스테이지 포워드-플라이 백 컨버터.
5. The method of claim 4,
The diode group
A first diode having an anode connected to one end of the second output inductor of the stabilizing part and a cathode connected to one end of the first output inductor of the stabilizing part and providing a power transmission path; And
An anode connected to the other end of the second output inductor of the stabilizing part, and a cathode connected to the other end of the first output inductor and the one end of the balance capacitor,
Stage forward-flyback converter.
제1항에 있어서,
상기 전원 변환부의 출력은 적어도 하나의 발광 다이오드에 공급되는 싱글 스테이지 포워드-플라이 백 컨버터.
The method according to claim 1,
Wherein the output of the power conversion section is supplied to at least one light emitting diode.
입력 전원을 스위칭하여, 스위칭 온 시에 포워드(Forward) 방식으로 전원 변환 동작하고, 스위칭 오프시에 플라이 백(Fly Back) 방식으로 전원 변환 동작하는 전원 변환부;
상기 전원 변환부의 포워드 방식에 의한 전원과 상기 플라이 백 방식에 의한 전원을 클램프하여 전원 전달 경로를 제공하여 적어도 하나의 발광 다이오드에 전원을 공급하고, 상기 전원 변환부의 상기 포워드 방식에 의한 전원 레벨과 상기 플라이 백 방식에 의한 전원 레벨 간의 평형을 유지하는 경로 제공부; 및
상기 입력 전원의 전압 레벨에 따라 상기 전원 변환부의 전원 변환 동작을 제어하고, 상기 입력 전원의 전압 레벨을 검출하여 검출된 전압이 영전압일때 상기 스위칭 온 동작을 제어하여 역률을 개선시키는 제어부
를 포함하는 발광 다이오드 전원 공급 장치.
A power conversion unit for switching an input power source to perform a power conversion operation in a forward mode at the time of switching on and a power conversion operation in a flyback mode at the time of switching off;
Wherein the power supply unit supplies power to at least one light emitting diode by clamping a power source according to the forward mode of the power source conversion unit and a power source according to the flyback mode to provide a power source transmission path, A path maintaining unit that maintains an equilibrium between power levels by the flyback method; And
A control unit for controlling a power conversion operation of the power conversion unit according to a voltage level of the input power source and detecting a voltage level of the input power source and controlling the switching on operation when the detected voltage is zero voltage,
And a light emitting diode (LED) power supply.
제9항에 있어서,
상기 전원 변환부는
상기 입력 전원을 스위칭하는 전원 스위치; 및
상기 전원 스위치에 의해 스위칭된 전원을 전달받는 일차 권선 및 상기 일차 권선과 전자기 결합되어 전원을 유기받는 이차 권선을 갖는 단일 트랜스포머
를 포함하는 발광 다이오드 전원 공급 장치.
10. The method of claim 9,
The power conversion unit
A power switch for switching the input power source; And
A first transformer having a primary winding receiving a power source switched by the power switch and a secondary winding electromagnetically coupled with the primary winding to supply a power source,
And a light emitting diode (LED) power supply.
제9항에 있어서,
상기 경로 제공부는
상기 전원 변환부의 포워드 방식에 의한 전원 레벨과 상기 플라이 백 방식에 의한 전원 레벨 간의 평형을 유지하는 밸런스 캐패시터;
상기 전원 변환부의 포워드 방식에 의한 전원과 상기 플라이 백 방식에 의한 전원의 전달 경로를 각각 제공하는 다이오드 그룹; 및
제1 및 제2 출력 인덕터 및 출력 캐패시터를 구비하여 상기 전달 경로를 통해 전달된 전원을 안정화시키는 안정화부
를 포함하는 발광 다이오드 전원 공급 장치.
10. The method of claim 9,
The path providing unit
A balance capacitor for maintaining an equilibrium between a power supply level by the forward method of the power conversion unit and a power supply level by the flyback method;
A diode group for providing a forward power supply path of the power conversion unit and a power supply path of the power supply by the flyback method; And
A stabilization unit having first and second output inductors and an output capacitor for stabilizing the power delivered through the transmission path,
And a light emitting diode (LED) power supply.
제11항에 있어서,
상기 전원 스위치는 턴 온 듀티를 일정하게 유지하여 상기 입력 전원의 역률을 개선하는 발광 다이오드 전원 공급 장치.
12. The method of claim 11,
Wherein the power switch maintains a constant turn-on duty to improve the power factor of the input power.
제9항에 있어서,
상기 입력 전원은 정류되어 상기 전원 변환부에 전달되는 발광 다이오드 전원 공급 장치
10. The method of claim 9,
Wherein the input power is rectified and transmitted to the power conversion unit,
제11항에 있어서,
상기 다이오드 그룹은
상기 안정화부의 제2 출력 인덕터의 일단에 연결된 애노드와, 상기 안정화부의 제1 출력 인덕터의 일단에 연결된 캐소드를 가지며 전원 전달 경로를 제공하는 제1 다이오드; 및
상기 안정화부의 제2 출력 인덕터의 타단에 연결된 애노드와, 상기 밸런스 캐패시터의 일단 및 상기 제1 출력 인덕터의 타단과 연결된 캐소드를 가지며, 전원 전달 경로를 제공하는 제2 다이오드
를 포함하는 발광 다이오드 전원 공급 장치.
12. The method of claim 11,
The diode group
A first diode having an anode connected to one end of the second output inductor of the stabilizing part and a cathode connected to one end of the first output inductor of the stabilizing part and providing a power transmission path; And
An anode connected to the other end of the second output inductor of the stabilizing part, and a cathode connected to the other end of the first output inductor and the one end of the balance capacitor,
And a light emitting diode (LED) power supply.
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